Concentration de contraintes

La concentration de contraintes est un problème souvent rencontré dans la conception mécanique d’un composant ou organe mécanique. C’est un phénomène d’augmentation locale des contraintes dans une zone comportant une modification géométrique de la pièce. Il apparaît dans une discontinuité de la pièce ou d’une structure avec la présence d’une entaille après l’usinage par exemple. La zone de concentration de contraintes est souvent le site d’amorçage des fissures de fatigue mais peut être aussi l’origine d’une rupture brutale dans le cas d’un matériau fragile.

Pourquoi, par exemple, l’extrémité de l’ampoule de verre se casse-t-elle toujours à l’endroit du trait de scie, si petit soit-il ? La diminution de section est négligeable et, de plus, l’extrémité étant conique, il y a, à proximité du trait de scie, une section très certainement inférieure. L’explication est simple : il y a, au fond de l’entaille, très petite, ainsi créée, un phénomène de concentration de contraintes qui provoque le dépassement de la limite de rupture.

En plus des problèmes de rupture statiques, la prise en compte des concentrations de contraintes en fatigue est un domaine important dans une démarche d’allégement de structures. En effet, la fatigue est la cause de la plupart des cas de rupture des composants contenant des concentrations de contraintes. Donc, une analyse s’impose pour montrer comment traiter ce type de problèmes dans le contexte de calcul de structure par éléments finis.

Nous avons voulu, dans cet article, par des exemples précis, montrer le phénomène physique, définir la terminologie et donner la méthodologie en traitant des cas, en augmentant progressivement la difficulté. Un des objectifs est aussi d’intégrer les nouvelles méthodes de calcul. Enfin, nous indiquons les informations pour faciliter l’utilisation de la documentation existante.